中科院先进院《AM》：一种抑制锂枝晶生长的有效方法！

锂(Li)金属以其高的理论比容量3860mAh g⁻¹和低的还原电位(−3.04V相对于标准氢电极)成为下一代高能量密度电池的最有前途的阳极之一。然而，可充电石灰基电池(LMB)很容易在阳极上形成不均匀的锂沉积(Li树枝晶)，这会加剧电解液的降解，增加内部短路的风险，从而导致低库仑效率(CE)，因此，循环过程中锂枝晶的生长给锂金属阳极的实际应用带来了极大的安全隐患。

本文报道了一种通过在聚丙烯隔板上涂覆一层超强类金刚石碳来抑制Li-树枝晶生长的有效方法。理论计算表明，DLC涂层与锂金属阳极组装后会发生原位化学锂化，使DLC/PP隔膜成为优良的三维锂离子导体。这种原位锂化类金刚石/聚丙烯分离器不仅可以通过其固有的高模量(≈100 GPa)来机械地抑制锂树枝的生长，而且可以均匀地重新分布锂离子，从而实现无树枝状的锂沉积。DLC/PP分离器的双重效应使锂电镀/剥离在3 mA cm⁻²的大电流密度下稳定循环(超过4500h)。值得注意的是，该方法使Li||LiFePO₄纽扣电池在5 C下稳定循环超过1000次，容量保持率为≈71%，在Li||LiNi_0.5Co_0.3Mn_0.2O₂电池中在0.2C下稳定循环200次以上，负极质量负载量为≈9 mg cm⁻²。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202100793

图1.a)基于原始PP、DLC/PP-5h和DLC/PP-10h隔板的电池电阻。

图2.DLC涂覆聚丙烯隔膜的表征

图3.Li||Cu和Li||Li对称电池在醚基DOL/DME电解质中的电化学性能

图4.聚丙烯隔膜和锂金属阳极的形貌表征

图5.Li||LFP全电池的电化学性能

图6.a)带有DLC/PP-5h分隔符的LI||NCM袋电池点亮LED灯阵列。b)采用原始PP或DLC/PP-5h隔膜，在0.2C下阴极质量负载量为9 mg cm⁻²的高阴极质量负载量的锂离子电池的长期循环性能。

总的来说，本文提出了一种新的方法，通过在PP隔膜上涂覆一层超强DLC层来抑制Li-树枝晶的生长。实验和理论结果表明，DLC涂层与锂金属阳极组装后发生了原位化学锂化反应，使DLC/PP隔膜成为优良的三维锂离子导体。这种原位锂化的DLC/PP分离器不仅可以通过其固有的高模量来机械地抑制Li枝晶的生长，而且可以均匀地重新分布Li离子，从而实现无枝晶的锂沉积。由于DLC/PP分离器的双重效应，在3 mA cm⁻²的大电流密度下，实现了稳定的镀锂/脱锂循环(超过4500h)。值得注意的是，基于DLC/PP隔膜的锂金属电池在5C下的容量保持率为≈71%，CE为≈98%，在锂离子电池中的容量保持率为71%，CE为98%；在0.2C的锂离子电池中，其阴极活性负载量为≈9 mg cm⁻²的循环次数超过200次。（文：SSC）